DE112007001483T5

DE112007001483T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern und Polymerbahnen

Info

Publication number: DE112007001483T5
Application number: DE112007001483T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Kadoma-shi Takahashi
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-06-04
Also published as: WO2008004712A2; CN101484619A; US20090127748A1; KR20090040872A; WO2008004712A3

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Nanofasern, das umfasst:
Zuführen einer Polymerlösung (2), die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst wird, zu einem sich drehenden Behälter (1) mit einer Vielzahl kleiner Löcher (4), wobei wenigstens ein Abschnitt des sich drehenden Behälters in der Nähe der kleinen Löcher Leitfähigkeit aufweist;
Drehen des sich drehenden Behälters (1); und
Anlegen eines elektrischen Feldes an Fäden aus der Polymerlösung (5), die über die kleinen Löcher (4) ausgestoßen werden, und Zulassen, dass diese durch eine Zentrifugalkraft und eine elektrostatische Explosion (6, 7) gezogen werden, die mit einer Verdampfung des Lösungsmittels einhergeht, um Nanofasern herzustellen, die aus der Polymersubstanz bestehen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern, die aus Polymersubstanzen bestehen, sowie eines hochporösen Polymervlieses, das durch Ablagern dieser Nanofasern erzeugt wird.
Technischer Hintergrund
Herkömmlicherweise ist das Elektrospinnen (durch elektrische Ladung induziertes Spinnen) als ein Verfahren zum Herstellen von Nanofasern bekannt, die aus Polymersubstanzen bestehen und einen Durchmesser in Submikron-Größenordnung haben. Beim herkömmlichen Elektrospinnen wird einer Nadeldüse, an die eine Hochspannung angelegt wird, eine Polymerlösung zugeführt, so dass die Polymerlösung, die als Fäden über dieser Nadeldüse ausgestoßen wird, elektrisch geladen ist. Wenn ein Lösungsmittel der Polymerlösung verdunstet, verringert sich ein Abstand zwischen diesen elektrischen Ladungen und eine darauf wirkende Coulomb-Kraft nimmt zu. Wenn diese Coulomb-Kraft die Oberflächenspannung der fasrigen Polymerlösung übersteigt, durchläuft die fasrige Polymerlösung eine sogenannte elektrostatische Explosion, bei der sie explosionsartig gezogen wird. Diese Erscheinung wiederholt sich in Form primärer, sekundärer und mitunter tertiärer Explosionen usw., und dementsprechend werden Nanofasern, die aus Polymeren bestehen und einen Durchmesser im Submikron-Bereich haben, gewonnen.
Indem die so erzeugten Nanofasern auf einem Substrat abgelagert werden, das elektrisch geerdet ist, kann ein Film mit einer dreidimensionalen Struktur aus dreidimensionalen Maschen gewonnen werden, und wenn dieser Film auf größere Dicke wachsen kann, kann ein hochporöses Vlies mit Submikron-Maschen hergestellt werden. Das so hergestellte hochporöse Vlies kann vorzugsweise als ein Filter, ein Separator zum Einsatz in einer Batterie, eine Polymer-Elektrolytmembran oder eine Elektrode zum Einsatz in einer Brennstoffzelle oder dergleichen eingesetzt werden. Es wird davon ausgegangen, dass der Einsatz des hochporösen Vlieses, das aus diesen Nanofasern besteht, die Leistung dieser Vorrichtungen erheblich verbessert.
Da jedoch beim herkömmlichen Elektrospinnen nur eine Vielzahl von Nanofasern an der Spitze einer einzelnen Düse erzeugt werden kann, kann die Produktivität bei der Herstellung hochporöser Polymervliese nicht wie gewünscht verbessert werden, und ihre Herstellung lässt sich nicht realisieren. Daher ist als ein Verfahren zum Herstellen eines Polymervlieses durch Ausbilden einer großen Menge an Nanofasern ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem eine Vielzahl von Düsen eingesetzt wird (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-201559 ).
Unter Bezugnahme auf 16 wird im Folgenden der Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses, wie sie in der oben erwähnten japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-201559 beschrieben ist, beschrieben. Eine flüssige Polymersubstanz in einem Zylinder 43 wird einer Spinneinheit 42 mit einer Vielzahl von Düsen 41 durch eine Pumpe 44 zugeführt. Eine Hochspannung zwischen 5 und 50 kV wird durch eine Hochspannungs-Erzeugungseinheit 45 an die Düsen 41 angelegt. Über die Düsen 41 ausgestoßene Fasern werden auf einer Sammeleinrichtung 46 abgelagert, die entweder geerdet oder auf eine Polarität geladen ist, die sich von der der Düsen 41 unterscheidet, um ein Vlies auszubilden. Das ausgebildete Vlies wird durch die Sammeleinrichtung 46 transportiert, und dementsprechend wird ein Polymervlies hergestellt. In dem Dokument ist des Weiteren beschrieben, dass eine Ladungsverteilungseinrichtung 47 in der Nähe der vorderen Enden der Düsen 41 angeordnet ist, um elektrische Interferenz zwischen den Düsen 41 auf ein Minimum zu verringern, und, dass eine Hochspannung zwischen der Ladungsverteilungseinrichtung 47 und der Sammeleinrichtung 46 so angelegt wird, dass ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die geladenen Fasern auf die Sammeleinrichtung 46 zu drückt.
Des Weiteren wird in dem Dokument, wie in 17A und 17B gezeigt, auch beschrieben, dass anstelle einer Vielzahl einzelner Düsen eine Vielzahl von Mehrfachdüsen 41A, die jeweils eine Vielzahl von Düsen 41 enthalten, für die Spinneinheit 42 vorhanden sind, so dass eine Vielzahl von Nanofasern an jeder der Mehrfachdüsen 41A hergestellt wird.
Was das Schmelzspinnverfahren angeht, so ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem eine Zentrifugalkraft genutzt wird (siehe die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Sho 58-114106 ). Bei diesem Verfahren enthält ein sich drehender Körper, der mit einer Anzahl von Löchern zum Spinnen an seinem Umfang versehen ist, eine Polymerlösung und wird so angetrieben, dass er sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. Dann bewirkt die Zentrifugalkraft das Spinnen, so dass dementsprechend Fasern erzeugt werden. Dieses Verfahren weist jedoch inhärente technische Probleme bezüglich der Herstellung von Nanofasern auf und eignet sich nur zum Herstellen von Fasern, deren Durchmesser verglichen mit denen der Nanofasern im Submikron-Bereich groß sind. Dementsprechend haben sich Forschung und Entwicklung seit vielen Jahren auf das oben beschriebene Elektrospinnen als ein Verfahren zum Herstellen von Nanofasern konzentriert.
Um das Polymervlies mit verbesserter Produktivität unter Verwendung der unveränderten Struktur herzustellen, wie sie in 16, 17A und 17B dargestellt ist, ist vorstellbar, dass die Düsen 41 in der Spinneinheit 42 oder die Düsen 41 in jeder Mehrfachdüse 41A in kürzeren Abständen angeordnet werden, so dass die Anzahl von Düsen pro Flächeneinheit zunimmt. In diesem Fall stoßen jedoch, wie in 18 gezeigt, die über jede Düse 41 ausgestoßenen Polymersubstanzen einander ab, wie dies mit den Pfeilen F veranschaulicht ist, da die Polymersubstanz auf die gleiche Polarität geladen ist. Daher wird das Ausstoßen über die Düsen 41, die sich in der Mitte befinden, behindert. Des Weiteren wird über die Düsen 41, die sich am Randbereich befinden, nach außen gerichtet ausgestoßen. Dadurch wird die Ablagerungsverteilung von Nanofasern auf der Sammeleinrichtung 46 im Mittelbereich außerordentlich dünn und konzentriert sich am Randbereich, so dass kein einheitliches Polymervlies hergestellt wird.
Wenn eine Ladungsverteilungseinrichtung 47 in der Nähe der vorderen Enden der Düsen 41 angeordnet wird, wird elektrische Interferenz zwischen den Düsen 41 reduziert, wie dies in 19 gezeigt ist. Zusätzlich dazu wird die über jede der Düsen 41 ausgestoßene Polymersubstanz auf die Sammeleinrichtung 46 zu beschleunigt, da ein elektrisches Feld E von der Ladungsverteilungseinrichtung 47 zu der Sammeleinrichtung 46 hin erzeugt wird. Dadurch kann verglichen mit dem Fall in 18 die Ablagerungsverteilung von Nanofasern im Mittelbereich und im Randbereich in gewissem Umfang vereinheitlicht werden. Gleichzeitig jedoch wird das Anordnungsmuster der Düsen 41 direkt in der Ablagerungsverteilung reflektiert. Daher ist die oben beschriebene Anordnung nicht ausreichend effektiv hinsichtlich der Vereinheitlichung der Abscheidungsverteilung.
Des Weiteren kann es, wenn die Anordnungsdichte der Düsen 41 vergrößert wird, dazu kommen, dass Fasern in Kontakt miteinander kommen und aneinander kleben, ohne dass das Lösungsmittel ausreichend verdampft wird. Zusätzlich dazu kann die Konzentration des verdampften Lösungsmittels in der Nähe der Düsen zunehmen, so dass die Isolierung ge schwächt wird, und es dadurch zu Koronaentladung kommt, so dass keine Fasern ausgebildet werden.
Weiterhin ist es, wenn eine Anzahl von Düsen 41 angeordnet werden soll, schwierig, gleichmäßig jeder der Düsen 41 eine flüssige Polymersubstanz zuzuführen. Dadurch wird der Aufbau der Vorrichtung möglicherweise kompliziert, und die Kosten für die Anlage steigen. Zusätzlich dazu muss, um eine elektrostatische Explosion der aus den Düsen 41 ausgestoßenen flüssigen Polymersubstanz auszulösen, die elektrische Ladung konzentriert werden, und dementsprechend ist jede der Düsen 41 in einer langen und schmalen Form ausgebildet. Es ist jedoch auch außerordentlich schwierig, die Wartung einer Anzahl langer und schmaler Düsen 41 so durchzuführen, dass gewährleistet ist, dass sie sich stets in ordnungsgemäßem Zustand befinden.
Die vorliegende Erfindung hat die oben beschriebenen bisherigen Probleme gelöst, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern und eines Polymervlieses zu schaffen, mit denen Nanofasern und ein Polymervlies unter Verwendung dieser Nanofasern gleichmäßig mit ausgezeichneter Produktivität unter Einsatz einer einfachen Struktur hergestellt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren zum Herstellen von Nanofasern der vorliegenden Erfindung enthält die folgenden Schritte:
Einleiten einer Polymerlösung, die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst wird, in einen sich drehenden Behälter mit einer Vielzahl kleiner Löcher, wobei wenigstens ein Teil desselben in der Nähe der kleinen Löcher Leitfähigkeit aufweist; Drehen des sich drehenden Behälters und Anlegen eines elektrischen Feldes an Fäden aus der Polymerlösung, die über die kleinen Löcher ausgestoßen werden, so dass sie durch eine Zentrifugalkraft und eine elektrostatische Explosion gezogen werden können, die mit einer Verdampfung des Lösungsmittels einhergeht, um Nanofasern herzustellen, die aus der Polymersubstanz bestehen. Es sollte bemerkt werden, dass bei der vorliegenden Erfindung, um ein elektrisches Feld an die Fäden aus der Polymerlösung anzulegen, die über die kleinen Löcher des sich drehenden Behälters ausgestoßen werden, eine große Potentialdifferenz zwischen dem sich drehenden Behälter und einem Objekt oder einem Element angelegt wird, das einen Raum zum Ausbilden der Nanofasern zwischen diesem und dem sich drehenden Behälter bildet. Wenn beispielsweise ein solches Objekt oder Element, das einen Raum zum Ausbilden von Nanofasern zwischen diesem und dem sich drehenden Behälter bildet, entweder die Erde oder ein Element, wie beispielsweise die Sammeleinrichtung, ist, die geerdet ist, wird eine positive oder negative Hochspannung bezogen auf das Erdpotential an den sich drehenden Behälter angelegt. Wenn eine Hochspannung, die entweder positiv oder negativ in Bezug auf das Erdpotential ist, an ein Element, wie beispielsweise die Sammeleinrichtung, angelegt wird, die einen Raum zum Ausbilden von Nanofasern zwischen diesem und dem sich drehenden Behälter bildet, kann der sich drehende Behälter geerdet sein, oder eine Hochspannung der entgegengesetzten Polarität kann an den sich drehenden Behälter angelegt werden. Die kleinen Löcher sind nicht auf diejenigen beschränkt, die direkt durch die Umfangswand des sich drehenden Behälters hindurch durch gestanzt sind. Es erübrigt sich, zu erwähnen, dass das kleine Loch durch ein Düsenelement gebildet werden kann, das an der Umfangswand des sich drehenden Behälters installiert oder integral damit geformt wird. Des Weiteren kann der sich drehende Behälter als Ganzes Leitfähigkeit aufweisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Polymerlösung so in den sich drehenden Behälter eingeleitet, dass die Polymerlösung eine Schicht an der Umfangswand des sich drehenden Behälters bildet, so dass Polymerlösung durch Zentrifugalkraft über die kleinen Löcher ausgestoßen wird. Damit erübrigt sich die Notwendigkeit des Ausübens von Druck auf die Polymerlösung, und die Zufuhr der Polymerlösung zu dem sich drehenden Behälter wird vereinfacht.
Gemäß der oben beschriebenen Struktur wird eine Polymerlösung unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft als Fäden über eine Vielzahl kleiner Löcher des sich drehenden Behälters ausgestoßen und wird durch ein angelegtes elektrisches Feld elektrisch geladen. Dabei wird, da die Polymerlösung zunächst unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft gezogen wird, die Polymerlösung stabil über die kleinen Löcher ausgestoßen, und es kommt kaum zu elektrischer Interferenz, da der sich drehende Behälter gedreht wird, um die Polymerlösung durch die Zentrifugalkraft strahlenförmig über die kleinen Löcher auszustoßen. Da elektrische Interferenz den Zustand nicht beeinflusst, kann die Polymerlösung zuverlässig und wirkungsvoll gezogen werden, selbst wenn die kleinen Löcher dicht angeordnet sind. Dann beginnen sich die elektrischen Ladungen zu konzentrieren, wenn die geladenen Fäden aus der Polymerlösung durch die Zentrifugalkraft weiter gezogen werden, wodurch ihre Durchmesser weiter abnehmen und das Lösungsmittel verdampft. Wenn die Coulomb-Kraft die Oberflächenspannung übersteigt, findet eine primäre elektrostatische Explosion statt, und die Polymerlösung wird explosionsartig gezogen. Da die Verdampfung des Lösungsmittels weiter abläuft, kommt es auf ähnliche Weise zu einer sekundären elektrostatischen Explosion, und die Polymerlösung wird explosionsartig gezogen. In Abhängigkeit von der Situation kann eine tertiäre elektrostatische Explosion stattfinden, so dass die Polymerlösung weiter gezogen wird. Dementsprechend können Nanofasern, die aus einer Polymersubstanz bestehen und einen Durchmesser im Submikron-Bereich haben, effizient aus einer Polymerlösung hergestellt werden, die als Fäden über eine Vielzahl kleiner Löcher ausgestoßen wird.
Weiterhin kann, da die kleinen Löcher, wie oben beschrieben, dicht angeordnet werden können, eine große Menge an Nanofasern effizient unter Verwendung einer einfachen und kompakten Struktur hergestellt werden. Des Weiteren müssen, da die über die kleinen Löcher ausgestoßene Polymerlösung zunächst durch die Zentrifugalkraft gezogen wird, diese kleinen Löcher nicht außerordentlich klein sein, so dass die Polymerlösung stabil über die kleinen Löcher ausgestoßen wird, um gleichmäßig Nanofasern herzustellen. Daher ist es nur notwendig, dass der sich drehende Behälter einfach mit kleinen Löchern versehen ist. Daher kann der sich drehende Behälter leicht und kostengünstig hergestellt werden, und die Wartung kann einfach durchgeführt werden, auch wenn eine große Anzahl kleiner Löcher vorhanden ist.
Vorzugsweise ist der sich drehende Behälter ein zylindrischer Behälter, der mit einer Vielzahl kleiner Löcher an seiner Umfangsfläche versehen ist und sich um seine Achse dreht. Dementsprechend kann jeweils gleichzeitig eine große Menge an Nanofasern gleichmäßig über den gesamten Umfang des zylindrischen Behälters hergestellt werden, und ausgezeichnete Produktivität kann gewährleistet werden. Da die Form und die Struktur einfach sind, können die Kosten der Anlage reduziert werden.
Vorzugsweise wird eine Menge der Polymerlösung, die in dem sich drehenden Behälter enthalten ist, so gesteuert, dass sie nahezu konstant ist. Dadurch wird die Zentrifugalkraft, die auf die Polymerlösung wirkt, die über die kleinen Löcher des zylindrischen Behälters ausgestoßen wird, konstant. So kann die Polymerlösung gleichmäßig als Fäden ausgestoßen werden, und Nanofasern können gleichmäßig in der Richtung der Achse des zylindrischen Behälters hergestellt werden. Eines der Verfahren zum Steuern der konstanten Menge besteht darin, dass eine Menge der Polymerlösung erfasst wird, die in dem sich drehenden Behälter enthalten ist, und das Einleiten der Polymerlösung in den Behälter so gesteuert wird, dass eine nahezu konstante Menge an Polymerlösung innerhalb des sich drehenden Behälters aufrechterhalten wird.
Die Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Behälters wird vorzugsweise auf Basis der Viskosität der Polymerlösung gesteuert, die in dem sich drehenden Behälter enthalten ist. Dementsprechend kann eine gewünschte Zentrifugalkraft entsprechend der Viskosität des Polymerbehälters auf die Polymerlösung wirken, ohne Veränderungen an dem sich drehenden Behälter vorzunehmen, so dass Nanofasern zuverlässig und effizient hergestellt werden. Wenn die Viskosität der Polymerlösung hoch ist, sind die hergestellten Nanofasern dick, und wenn die Viskosität niedrig ist, sind die hergestellten Nanofasern dünn. Dementsprechend wird die Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Behälters erhöht, wenn die Viskosität hoch ist, und verringert, wenn die Viskosität niedrig ist.
Der radiale Abstand von der Drehachse des sich drehenden Behälters zu den kleinen Löchern kann auf Basis der Viskosität der Polymerlösung bestimmt werden, die in dem sich drehenden Behälter enthalten ist. Dementsprechend kann eine gewünschte Zentrifugalkraft entsprechend der Viskosität der Polymerlösung auf die Polymerlösung wirken, ohne dass die Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Behälters erheblich geändert wird, wodurch Nanofasern zuverlässig und effizient hergestellt werden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Polymerbahn gemäß der vorliegenden Erfindung schließt den Schritt des Ablagerns der mit dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen von Nanofasern hergestellten Nanofasern ein. Indem die Nanofasern abgelagert werden, die, wie oben beschrieben, in großer Menge hergestellt werden, kann ein hochporöses Vlies mit ausgezeichneter Produktivität erzeugt werden.
Vorzugsweise enthält das Verfahren die Schritte des Anordnens einer leitenden Sammeleinrichtung in einem bestimmten Abstand in Bezug auf den sich drehenden Behälter, des Anlegens einer hohen Spannung zwischen dem sich drehenden Behälter und der Sammeleinrichtung und des Ablagerns der Nanofasern auf der Sammeleinrichtung ein. Dementsprechend bewegen sich elektrisch geladene Nanofasern auf die Sammeleinrichtung zu und werden auf der Sammeleinrichtung abgelagert, so dass effizient ein Polymervlies ausgebildet wird. Eine Funktion der Sammeleinrichtung kann darin bestehen, das darauf abgelagerte Polymervlies fortlaufend zu transportieren.
Des Weiteren kann ein Bahnelement, auf dem Nanofasern abgelagert werden sollen, auf der Sammeleinrichtung und an ihr entlang mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt werden. Dementsprechend können Bahnen, auf denen ein Polymervlies einer gewünschten Dicke ausgebildet ist, fortlaufend hergestellt werden.
Des Weiteren kann eine reflektierende Elektrode, die auf die gleiche Polarität wie der sich drehende Behälter geladen ist, in einem Bereich um den sich drehenden Behälter herum mit Ausnahme des Bereiches angeordnet werden, in dem die Sammeleinrichtung angeordnet ist, so dass über den gesamten Umfang des sich drehenden Behälters ausgestoßene und ausgebildete Nanofasern auf die Sammeleinrichtung zu geleitet werden. Dementsprechend werden Nanofasern, die auf den gesamten Umfang des sich drehenden Behälters zu und um ihn herum ausgebildet werden, auf der Sammeleinrichtung abgeschieden, so dass effizient ein Polymervlies innerhalb eines kurzen Zeitraums hergestellt wird.
Des Weiteren kann eine Vielzahl von Sammeleinrichtungen in gleichmäßigen Abständen um den sich drehenden Behälter herum angeordnet sein, so dass Nanofasern, die über den gesamten Umfang des sich drehenden Behälters herum ausgestoßen und erzeugt werden, auf die jeweiligen Sammeleinrichtungen zu geleitet werden. Dementsprechend können Nanofasern, die auf den gesamten Umfang zu ausgestoßen und um ihn herum ausgebildet werden, auf den jeweiligen Sammeleinrichtungen gesammelt und abgelagert werden, so dass gleichzeitig eine Vielzahl von Polymervliesen hergestellt werden kann.
Eine Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern gemäß der vorliegenden Erfindung enthält:
einen sich drehenden Behälter, der drehbar gelagert ist und mit einer Vielzahl kleiner Löcher versehen ist, die in einem bestimmten Abstand in einer radialen Richtung von der Drehachse angeordnet sind; eine Drehantriebseinrichtung, mit der der sich drehende Behälters so angetrieben wird, dass er sich dreht, wobei wenigstens ein Teil desselben in der Nähe der kleinen Löcher Leitfähigkeit aufweist; eine Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung zum Anlegen einer Hochspannung an den sich drehenden Behälter; eine Polymerlösungs-Zuführeinrichtung zum Einleiten einer Polymerlösung, die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst wird, in den sich drehenden Behälter; und eine Steuereinheit zum Steuern der Drehantriebseinrichtung, der Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung und der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung. Während der sich drehende Behälter durch die Steuereinheit mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, wird die Polymerlösung in den sich drehenden Behälter eingeleitet, und eine Hochspannung wird an den sich drehenden Behälter angelegt. Aufgrund dieser Struktur kann das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen von Nanofasern ausgeführt werden, und seine Wirkung kann erzielt werden.
Eine weitere Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern gemäß der vorliegenden Erfindung enthält:
einen sich drehenden Behälter, der drehbar gelagert und mit einer Vielzahl kleiner Löcher versehen ist, die in einem bestimmten Abstand in einer radialen Richtung von der Drehachse angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil desselben in der Nähe der kleinen Löcher Leitfähigkeit aufweist; eine Drehantriebseinrichtung, mit der der sich drehende Behälters so angetrieben wird, dass er sich dreht; eine leitende Sammeleinrichtung, die in einem bestimmten Abstand zu dem sich drehenden Behälter angeordnet ist; eine Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung zum Anlegen einer Hochspannung zwischen dem sich drehenden Behälter und der Sammeleinrichtung; eine Polymerlösungs-Zuführeinrichtung zum Einleiten einer Polymerlösung, die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst, in den sich drehenden Behälter; und eine Steuereinheit, die die Drehantriebseinrichtung, die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung und die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung steuert. Während der sich drehende Behälter durch die Steuereinheit mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, wird die Polymerlösung in den sich drehenden Behälter eingeleitet, und eine Hochspannung wird zwischen dem sich drehenden Behälter und der Sammeleinrichtung angelegt. Das heißt, eine Hochspannung kann an den sich drehenden Behälter angelegt werden, und die Sammeleinrichtung kann entweder geerdet sein, oder es kann eine Hochspannung an sie angelegt werden, deren Polarität entgegengesetzt zu der des sich drehenden Behälters ist. Als Alternative dazu kann der sich drehende Behälter geerdet sein und an die Sammeleinrichtung kann eine positive oder negative Hochspannung angelegt werden. Aufgrund dieser Struktur kann ebenfalls eine gleichartige Wirkung erzielt werden.
Vorzugsweise besteht der sich drehende Behälter aus einem zylindrischen Behälter, der die Vielzahl kleiner Löcher an der Umfangsfläche aufweist, und die Steuereinrichtung, mit der die Menge der Polymerlösung, die in dem zylindrischen Behälter enthalten ist, konstant gehalten wird, ist vorhanden. Dementsprechend kann jeweils eine große Menge an Nanofasern gleichmäßig über den gesamten Umfang des zylindrischen Behälters hergestellt werden. So kann hohe Produktivität gewährleistet werden, und aufgrund der einfachen Form und Konstruktion können die Kosten für die Anlage reduziert werden. Des Weiteren kann, indem eine Menge der Polymerlösung in dem sich drehenden Behälter auf einen vorgeschriebenen Pegel gesteuert wird, nahezu konstante Zentrifugalkraft auf die Polymerlö sung in dem sich drehenden Behälter wirken, so dass gleichmäßig Nanofasern hergestellt werden.
Eines der Verfahren, mit dem eine Menge an Polymerlösung konstant gehalten wird, besteht darin, eine Einrichtung zum Erfassen der enthaltenen Menge bereitzustellen, mit der eine Menge der Polymerlösung erfasst wird, die in dem sich drehenden Behälter enthalten ist, sowie eine Einrichtung zum Steuern der zugeführten Menge, mit der die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung auf Basis der erfassten enthaltenen Menge gesteuert wird. Des Weiteren kann die Einrichtung zum Erfassen der erhaltenen Menge so konfiguriert sein, dass sie einen Vorsprung enthält, der im Kontakt mit der Polymerlösung in dem sich drehenden Behälter kommt, wenn die Polymerlösung eine vorgeschriebenen Menge erreicht, und eine Motorstrom-Erfassungseinrichtung, mit der ein Strom erfasst wird, der durch einen Motor fließt, mit dem der sich drehende Behälter so angetrieben wird, dass er sich dreht. In diesem Fall kommt, wenn eine Menge der Polymerlösung in dem sich drehenden Behälter eine vorgeschriebene Menge erreicht, die Polymerlösung in Kontakt mit dem Vorsprung, so dass der Drehwiderstand des sich drehenden Behälters zunimmt und der Motorstrom zunimmt, wodurch die enthaltene Menge erfasst wird. So kann die Menge der Polymerlösung auf eine vorgeschriebene Menge gesteuert werden, wenn ein einfacher und kostengünstiger Vorsprung vorhanden ist.
Des Weiteren ist vorzugsweise eine einzelne Zuführleitung oder eine Vielzahl von Zuführrohren vorhanden, die einer axialen Einheit des zylindrischen Behälters eine Polymerlösung zuführen, und eine Vielzahl von Materialzuführöffnungen wird vorzugsweise in gleichen Abständen in der axialen Richtung angeordnet, indem diese einzelne Zuführleitung oder die Vielzahl von Zuführleitungen genutzt wird/werden, so dass die Polymerlösung dem zylindrischen Behälter entlang seiner axialen Richtung nahezu gleichmäßig zugeführt wird. Dementsprechend wirkt Zentrifugalkraft gleichmäßig auf die Polymerlösung, so dass sie über jeweilige kleine Löcher ausgestoßen wird, die in der axialen Richtung des zylindrischen Behälters angeordnet sind, und die Polymerlösung kann gleichmäßig als Fäden ausgestoßen werden, so dass Nanofasern gleichmäßig entlang der Achse des zylindrischen Behälters erzeugt werden.
Eine Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlies gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt ein Polymervlies, indem Nanofasern, die durch die andere Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern, die oben beschrieben ist, auf einer sich in zwei Dimensionen erstreckenden Sammeleinrichtung abgelagert werden. Dementsprechend werden Nanofasern, die wie oben beschrieben hergestellt werden, auf der Sammeleinrichtung abgelagert, so dass ein Polymervlies effizient hergestellt wird.
Vorzugsweise ist eine Bahnelement-Bewegungseinrichtung vorhanden, mit der ein Bahnelement, auf dem Nanofasern abgelagert werden, mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit auf der Sammeleinrichtung und an ihr entlang bewegt wird. Dementsprechend kann eine Bahn, auf der ein Polymervlies einer vorgegebenen Dicke ausgebildet ist, fortlaufend hergestellt werden.
Des Weiteren kann eine reflektierende Elektrode, die auf die gleiche Polarität geladen ist wie der sich drehende Behälter, in einem Bereich, der den sich drehenden Behälter umgibt, bis auf einen Bereich angeordnet sein, in dem die Sammeleinrichtung angeordnet ist. Dementsprechend werden Nanofasern, die um den gesamten Umfang des sich drehenden Behälters herum ausgestoßen und ausgebildet werden, durch die elektrische Ladung der reflektierenden Elektrode mit der gleichen Polarität abgestoßen und werden auf die Sammeleinrichtung zu gerichtet und auf ihr abgelagert, so dass eine Polymerbahn innerhalb eines kurzen Zeitraums effizient erzeugt wird.
Des Weiteren kann eine Vielzahl von Sammeleinrichtungen in gleichem Abstand um den sich drehenden Behälter herum angeordnet sein. Dementsprechend können Nanofasern, die um den gesamten Umfang des sich drehenden Behälters herum ausgestoßen und ausgebildet werden, an jeder der Sammeleinrichtungen gesammelt und abgelagert werden, so dass eine Vielzahl von Polymervliesen hergestellt wird.
Kurze der Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Prinzip eines Verfahrens zum Herstellen von Nanofasern der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Perspektivansicht, die einen allgemeinen Aufbau von Ausführungsform 1 einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist eine Vertikalschnittansicht, die den allgemeinen Aufbau von Ausführungsform 1 darstellt.
4 ist eine Perspektivansicht eines weiteren Beispiels des sich drehenden Behälters in Ausführungsform 1.
5 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres Beispiel einer Struktur zum gleichmäßigen Einleiten einer Polymerlösung in den sich drehenden Behälter in Ausführungsform 1 darstellt.
6 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung in Ausführungsform 1 darstellt.
7A und 7B sind erläuternde Darstellungen, die zwei Beispiele der Anordnung der kleinen Löcher an dem zylindrischen Behälter von Ausführungsform 1 darstellen.
8 ist eine Vertikalschnittansicht, die einen allgemeinen Aufbau von Ausführungsform 2 einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist als Vertikalschnitt ausgeführte Vorderansicht, die einen allgemeinen Aufbau von Ausführungsform 3 einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung darstellt.
10 ist eine als Vertikalschnitt ausgeführte Vorderansicht, die einen allgemeinen Aufbau von Ausführungsform 4 einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 ist ein Blockschaltbild, das eine Steuerstruktur von Ausführungsform 4 darstellt.
12 ist eine veranschaulichende Darstellung, die Vorgänge zum Steuern einer Menge der Polymerlösung in Ausführungsform 4 darstellt.
13 ist eine als Vertikalschnitt ausgeführte Seitenansicht, die einen allgemeinen Aufbau von Ausführungsform 5 einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung darstellt.
14 ist eine als Vertikalschnitt ausgeführte Seitenansicht, die ein weiteres Beispiel eines Aufbaus von Ausführungsform 5 darstellt.
15 ist eine als Vertikalschnitt ausgeführte Seitenansicht, die einen allgemeinen Aufbau von Ausführungsform 6 einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung darstellt.
16 ist eine Darstellung, die einen allgemeinen Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses eines herkömmlichen Beispiels darstellt.
17A und 17B stellen wesentliche Teile eines weiteren Beispiels eines Aufbaus des herkömmlichen Beispiels dar, wobei 17A eine Vorderansicht ist und 17B eine teilweise vergrößerte Unteransicht ist.
18 ist eine Darstellung, die Probleme darstellt, die bei dem herkömmlichen Beispiel auftreten.
19 ist eine Darstellung, die weitere Probleme darstellt, die bei dem herkömmlichen Beispiel auftreten.
Beste Ausführungsart der Erfindung
In den folgenden Abschnitten wird jede Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern und eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 15 beschrieben.
(Ausführungsform 1)
Ausführungsform 1 eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 7B beschrieben. 1 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Prinzip eines Verfahrens zum Herstellen von Nanofasern darstellt, wobei das Verfahren bei einem Verfahren zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird. In 1 kennzeichnet Bezugszeichen 1 einen zylindrischen Behälter als einen sich drehenden Behälter, der einen Durchmesser von 20 bis 500 mm hat. Der sich drehende Behälter wird so angetrieben, dass er sich mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 6.000 U/min um die Drehachse dreht, wie dies mit einem Pfeil R dargestellt ist. Dem sich drehenden Behälter 1 wird eine Polymerlösung 2 von einem Ende desselben zugeführt. In diesem Fall wird die Polymerlösung gewonnen, indem eine Polymersubstanz, die ein Material für die Nanofasern ist, in einem Lösungsmittel gelöst wird.
Zu Beispielen für Polymersubstanzen, die Polymerlösung 2 bilden, gehören Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyethylenoxid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Poly-m-phenylenterephthalat, Poly-p-phenylenisophthalat, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid-Acrylat-Copolymer, Polyacrylonitril, Polyacrylonitril-Methacrylat-Copolymer, Polycarbonat, Polyarylat, Polyestercarbonat, Nylon, Aramid, Polycaprolacton, Polymilchsäure, Polyglycolsäure, Kollagen, Polyhydroxybuttersäure, Polyvinylacetat und Polypeptid. Obwohl wenigstens ein Typ, der aus den obenstehenden Verbindungen ausgewählt wird, verwendet wird, sollte die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt werden.
Zu Lösungsmitteln, die verwendet werden können, gehören Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Hexafluorisopropanol, Tetraethylenglycol, Triethylenglycol, Dibenzylalkohol, 1,3-Dioxolan, 1,4-Dioxan, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Methyl-n-hexylketon, Methyl-n-propylketon, Diisopropylketon, Diisobutylketon, Aceton, Hexafluoraceton, Phenol, Ameisensäure, Methylformiat, Ethylformiat, Propylformiat, Methylbenzoat, Ethylbenzoat, Propylbenzoat, Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, Dimethylphthalat, Diethylphthalat, Dipropylphthalat, Methylchlorid, Ethylchlorid, Methylenchlorid, Chloroform, o-Chlortoluol, p-Chlortoluol, Tetrachlorkohlenstoff, 1,1-Dichlorethan, 1,2-Dichlorethan, Trichlorethan, Dichlorpropan, Dibromethan, Dibrompropan, Methylbromid, Ethylbromid, Propylbromid, Essigsäure, Benzol, Toluol, Hexan, Cyclohexan, Cyclohexanon, Cyclopentan, o-Xylol, p-Xylol, m-Xylol, Acetonitril, Tetrahydrofuran, N,N-Dimethylformamid, Pyridin und Wasser. Obwohl wenigstens ein Typ, der aus den obenstehenden Verbindungen ausgewählt wird, verwendet wird, sollte die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt werden.
Die Polymerlösung kann mit einem anorganischen festen Material vermischt werden, wobei zu Beispielen dafür Oxide, Carbide, Nitride, Boride, Silizide, Fluoride und Sulfide gehören. Hinsichtlich der thermischen Stabilität, Verarbeitbarkeit und dergleichen werden jedoch Oxide vorgezogen. Zu Beispielen für Oxide gehören Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Li₂O, Na₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, B₂O₃, P₂O₅, SnO₂, ZrO₂, K₂O, Cs₂O, ZnO, Sb₂O₃, As₂O₃, CeO₂, V₂O₅, Cr₂O₃, MnO, Fe₂O₃, CoO, NiO, Y₂O₃, Lu₂O₃, Yb₂O₃, HfO₂ und Nb₂O₅. Obwohl wenigstens ein Typ eingesetzt wird, der aus den obenstehenden Verbindungen ausgewählt wird, sollte die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt werden.
Der sich drehende Behälter 1 ist so ausgeführt, dass eine Hochspannung zwischen 1 und 100 kV durch die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung angelegt wird und die darin enthaltene Polymerlösung 2 dieser Hochspannung ausgesetzt wird. Der zylindrische Behälter 1 weist eine Anzahl kleiner Löcher 4 mit 0,1 bis 2 mm Durchmesser auf, die an seiner Umfangsfläche in Abständen von wenigen Millimetern vorhanden sind. Daher wirkt, wenn der zylindrische Behälter 1 so angetrieben wird, dass er sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, die Zentrifugalkraft auf die Polymerlösung 2, die über jedes der kleinen Löcher 4 ihrerseits als Fäden ausgestoßen wird. Die Fäden der Polymerlösung 2 werden dann unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft gezogen, so dass sie feine Polymerfäden 5 werden. Diese Polymerfäden 5 werden dann einem elektrischen Feld ausgesetzt, das um den sich drehenden Behälter 1 herum erzeugt wird, an den eine Hochspannung angelegt wird, und werden elektrisch geladen.
Wenn diese Polymerfäden 5 unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft weiter gezogen werden und das Lösungsmittel verdampft, verringert sich der Durchmesser des Polymerfadens 5, und die daran vorhandene elektrische Ladung konzentriert sich. Wenn die Coulomb-Kraft die Oberflächenspannung der Polymerlösung übersteigt, findet eine primäre elektrostatische Explosion 6 statt, und der Polymerfaden wird explosionsartig gezogen. Dann findet, wenn das Lösungsmittel weiter verdampft, eine sekundäre elektrostatische Explosion 7 statt, und der Polymerfaden 5 wird auf gleiche Weise weiter gezogen. Je nach dem Zustand kann eine tertiäre elektrostatische Explosion stattfinden usw. Daher können Nanofasern mit Durchmessern in Submikron-Bereich, die aus einer Polymersubstanz bestehen, effizient hergestellt werden. Bei der primären elektrostatischen Explosion 6 wird der Faden explosionsartig gezogen und bewegt sich spiralartig in einer konischen Form, wobei sich eine Spitze am Anfangspunkt der Explosion befindet. Die sekundäre elektrostatische Explosion 7 folgt im Wesentlichen dem gleichen Muster mit anderen Berstfaktoren, die auf kompliziertere Weise zu einer explosionsartigen Dehnung führen. 1 stellt schematisch derartige Prozesse dar.
Eine Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Ausführungsform, bei der das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen von Nanofasern eingesetzt wird, hat einen Grundaufbau, wie in er in 2 und 3 dargestellt ist. Ein zylindrischer Behälter 1 wird von Lagerungselementen 8, die an jeweiligen Seiten dieser Achse vorhanden sind, um seine Achse drehbar gelagert. Das heißt, beide Enden der Mittenwelle 9, die die axiale Einheit des zylindrischen Behälters 1 durchdringt, sind an den jeweiligen Lagerungselementen 8 befestigt, und der zylindrische Behälter 1 wird von Lagern 10 um die Mittenwelle 9 herum drehbar gelagert. Das Lagerungselement 8, das einem Ende des zylindrischen Behälters 1 zugewandt ist, ist mit einem Antriebsmotor 11 an seiner Innenseite versehen. Zwischen einer antreibenden Riemenscheibe 12, die an der Ausgangswelle des Motors befestigt ist, und einer angetriebenen Riemenscheibe 13, die am Umfang eines Endes des zylindrischen Behälters 1 befestigt ist, ist ein Riemen 14 aufgezogen. Dementsprechend ist der zylindrische Behälter 1 so aufgebaut, dass er durch eine Drehantriebseinrichtung 15, die aus dem Antriebsmotor 11, der antreibenden Riemenscheibe 12, der angetriebenen Riemenscheibe 13 und dem Riemen 14 besteht, angetrieben wird und sich in der durch einen Pfeil R in 2 angedeuteten Richtung dreht,. Die kleinen Löcher 4 des zylindrischen Behälters 1 können ausgebildet werden, indem direkt durch die Umfangswand des zylindrischen Behälters 1 hindurch gestanzt wird. Vorzugsweise werden die kleinen Löcher 4 durch ein Düsenelement 4A gebildet, das ein Loch hat, das als das kleine Loch 4 dient, und das an der Umfangswand des zylindrischen Behälters 1 installiert oder integral damit geformt wird, wie dies in 4 gezeigt ist.
Eine leitende plane Sammeleinrichtung 16 ist zwischen den Lagerungselementen 8 vorhanden. Die Sammeleinrichtung 16 erstreckt sich in zwei Dimensionen unter dem zylindrischen Behälter 1 und ihm, in einem bestimmten Abstand dazu zugewandt, der aufrechterhalten wird, und ist elektrisch geerdet. Eine Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 ist zwischen der Sammeleinrichtung 16 und dem zylindrischen Behälter 1 angeordnet, um eine Hochspannung an den zylindrischen Behälter 1 anzulegen. Die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 erzeugt des Weiteren eine große Potentialdifferenz zwischen dem zylindrischen Behälter 1 und der Sammeleinrichtung 16, so dass sich geladene Nanofasern auf die Sammeleinrichtung 16 zu bewegen und daran abgelagert werden. Dabei ist es möglich, dass nicht die Sammeleinrichtung 16 geerdet ist, sondern eine Spannung einer Polarität, die entgegengesetzt zu der des zylindrischen Behälters 1 ist, angelegt wird. Vorzugsweise hat die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 eine Ausgangsspannung von 1 bis 100 kV und kann mit einem Schalter 3a beliebig an- und abgeschaltet werden. Vorzugsweise ist des Weiteren die Mittenwelle 9 isoliert und die durch die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 an den zylindrischen Behälter 1 angelegte Spannung wird über einen stationären Teil der Lager 10 in Bezug auf die Mittenwelle 9 zugeführt. Die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 legt bei dem oben beschriebenen Beispiel eine positive Spannung an den zylindrischen Behälter 1 an, es kann jedoch eine negative Spannung an den zylindrischen Behälter 1 angelegt werden, wobei in diesem Fall die Polarität der elektrischen Ladung entgegengesetzt ist. Des Weiteren kann der zylindrische Behälter 1 geerdet sein, und eine Hochspannung kann an die Sammeleinrichtung 16 angelegt werden.
Die Mittenwelle 9 besteht aus einer hohlen Welle, wobei ein Ende geschlossen ist, und ihr hohler Teil dient als eine Zuführleitung 17 für die Polymerlösung 2. Die Mittenwelle 9 ist an ihrer Unterseite mit Materialzuführöffnungen 18 versehen, die in geeigneten Abständen in der Achsenrichtung angeordnet sind, und eine vorgeschriebene Menge an Polymerlösung 2 wird nahezu gleichmäßig über diese Materialzuführöffnungen 18 in den zylindrischen Behälter 1 eingeleitet. Daher können die Materialzuführöffnungen 18 so ausgeführt sein, dass ihre Lochgrößen von der Seite des offenen Endes zur Seite des geschlossenen Endes der Zuführleitung 17 hin allmählich zunehmen. Des Weiteren kann, wie in 5 dargestellt, eine Vielzahl von Zuführrohren 19 so in die Zuführleitung 17 eingeführt sein, dass ein Austrittsloch 19a jedes Zuführrohrs 19 einer der Materialzuführöffnungen 18 entspricht, so dass die Polymerlösung 2 den Materialzuführöffnungen 18 gleichmäßiger und zuverlässiger zugeführt wird.
6 stellt ein bevorzugtes Beispiel eines Aufbaus der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 zum Zuführen der Polymerlösung 2 zu der Zuführleitung 17 der Mittenwelle 9 dar. In 6 ist die Polymerlösung 2, die durch Lösen einer Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gewonnen wird, in einem Lösungsbehälter 21 enthalten, von dem die Lösung einem luftdichten isolierenden Zwischenbehälter 23 durch eine Zahnradpumpe 22 zugeführt wird. Eine Druckluftquelle (in der Figur nicht dargestellt) führt dem isolierenden Zwischenbehälter 23 über einen Luftregler 24 Druckluft zu und drückt so nach unten auf die Oberfläche der Polymerlösung 2. Die Polymerlösung wird so der Zuführleitung 17 oder den Zuführrohren 19 über ein Transportrohr 25 zugeführt, das in den Boden des isolierenden Zwischenbehälters 23 eingeführt ist. Durch diesen Aufbau ist gewährleistet, dass verhindert wird, dass die an den zylindrischen Behälter 1 angelegte Hochspannung über die Seite der Zahnradpumpe 22 durch die Polymerlösung 2 austritt. Wenn Isolierung gegenüber dem zylindrischen Behälter 1 sichergestellt ist, kann die Polymerlösung 2 der Zuführleitung 17 oder den Zuführrohren 19 einfach und direkt durch die Zahnradpumpe 22 aus dem Lösungsbehälter 21 zugeführt werden.
Wenn die kleinen Löcher 4, die an der Umfangsfläche des zylindrischen Behälters 1 ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie sich an den Scheiteln gleichseitiger Dreiecke befinden, die sich in einem zweidimensionalen durchgehenden Muster erstrecken, wie dies in 7A dargestellt ist, ist ein Abstand zwischen beliebigen zwei benachbarten kleinen Löchern 4 konstant, und die Polymerfäden 5 und damit die Nanofasern können vorzugsweise in einheitlicher zweidimensionaler Form ausgestoßen und ausgebildet werden. Als Alterna tive dazu können sie, wie in 7B gezeigt, in einer Matrix angeordnet werden, in der sie sich an gleichmäßig beabstandete Positionen sowohl in der Umfangs- als auch der Axialrichtung befinden.
Bei der oben beschriebenen Konstruktion wird eine vorgeschriebene Menge der Polymerlösung 2 durch die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 in den zylindrischen Behälter eingeleitet, und eine vorgeschriebene Hochspannung wird durch die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 an den zylindrischen Behälter 1 angelegt. Dadurch wird die in dem zylindrischen Behälter 1 enthaltene Polymerlösung 2 der Hochspannung ausgesetzt. Dann wird in diesem Zustand, indem der zylindrische Behälter 1 durch die Drehantriebseinrichtung 15 mit einer hohen Geschwindigkeit in Drehung versetzt wird, die Polymerlösung 2 als Fäden über eine Vielzahl kleiner Löcher 4 ausgestoßen, so dass die Polymerfäden 5 entstehen. Diese Polymerfäden 5 werden durch die Zentrifugalkraft erheblich gezogen und werden unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, das den zylindrischen Behälter 1 umgibt, elektrisch geladen. Dann findet, wenn der Polymerfaden 5 durch die Zentrifugalkraft weiter gezogen wird und der Durchmesser kleiner und kleiner wird und das Lösungsmittel verdampft, die primäre elektrostatische Explosion statt, und die Dehnung läuft explosionsartig ab. Wenn das Lösungsmittel weiter verdampft, findet die sekundäre elektrostatische Explosion auf ähnliche Weise statt, und die Dehnung läuft weiter explosionsartig ab. Je nach dem Zustand findet die tertiäre elektrostatische Explosion statt, und die Dehnung läuft weiter ab. So werden Nanofasern, die aus einer Polymersubstanz bestehen und einen Durchmesser im Submikron-Bereich haben, aus den Polymerfäden hergestellt, die über die Vielzahl kleiner Löcher 4 ausgestoßen werden. So hergestellte und elektrisch geladene Nanofasern bewegen sich auf die Sammeleinrichtung 16 zu und werden an der Sammeleinrichtung 16 abgelagert. Dementsprechend kann ein hochporöses Polymervlies mit hoher Produktivität hergestellt werden.
In diesem Fall muss, da der Polymerfaden 5, der ausgebildet wird, wenn er über das kleine Loch 4 des zylindrischen Behälters 1 ausgestoßen wird, zunächst durch die Zentrifugalkraft erheblich gezogen wird, das kleine Loch nicht außerordentlich klein sein, sondern kann einen Durchmesser von ungefähr 0,1 bis 2 mm haben. Des Weiteren muss, da elektrische Ladung nicht konzentriert sein muss, wie dies der Fall wäre, wenn die elektrostatische Explosion zuerst stattfinden muss, das kleine Loch 4 nicht als lange und schmale Düse ausgebildet sein. Des Weiteren können, da die Interferenz des elektrische Feldes die Situation nicht beeinflusst, selbst wenn die kleinen Löcher 4 dicht angeordnet sind, die Polymerfaden zuverlässig und effizient gezogen werden, so dass effizient eine große Menge an Nanofasern in einer einfachen und kompakten Konstruktion hergestellt wird. Des Weiteren kann jeweils eine große Menge an Nanofasern gleichmäßig über die gesamte Umfangsfläche des zylindrischen Behälters 1 hergestellt werden, wodurch hohe Produktivität gewährleistet ist. Ihre einfache Form und der Aufbau tragen auch zu einer Kostenverringerung hinsichtlich Produktionsanlagen bei. Des Weiteren können, da die kleinen Löcher 4 nicht in einer langen Form hergestellt werden müssen, diese kleinen Löcher 4 einfach in Umfangsrichtung an der Außenseite des zylindrischen Behälters 1 vorhanden sein. Ihre Herstellung ist einfach und weniger kostenaufwändig und die Wartung kann leicht durchgeführt werden, selbst wenn eine Anzahl kleiner Löcher 4 vorhanden ist.
Die Drehantriebseinrichtung 15 ist so aufgebaut, dass die Drehgeschwindigkeit des zylindrischen Behälters 1 auf Basis der Viskosität der Polymerlösung 2 gesteuert werden kann, die in dem zylindrischen Behälter 1 enthalten ist. Aufgrund dieses Aufbaus kann eine erforderliche Zentrifugalkraft, die auf die Polymerlösung 2 wirkt, entsprechend der Viskosität der Polymerlösung 2 erzeugt werden, wodurch Nanofasern zuverlässig und effizient hergestellt werden. Wenn die Viskosität hoch ist, werden die Durchmesser der hergestellten Nanofasern groß, und wenn die Viskosität niedrig ist, werden sie klein. Daher wird die Drehung so gesteuert, dass die Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Behälters 1 erhöht wird, wenn die Viskosität hoch wird, und verringert wird, wenn die Viskosität niedrig wird. Was eine Zusammensetzung einer bestimmten Polymerlösung angeht, so kann die Beziehung zwischen ihrer Viskosität, der Drehgeschwindigkeit und den Durchmessern von Nanofasern, die erzeugt werden, im Voraus experimentell bestimmt werden. Daher kann, wenn die Viskosität der Polymerlösung gemessen wird, die optimale Drehgeschwindigkeit für diese Lösung berechnet werden. So können, indem so gesteuert wird, dass diese optimale Drehgeschwindigkeit erreicht wird, Nanofasern hergestellt werden, die gleichmäßig die gewünschten Durchmesser haben. Des Weiteren kann, da der Radius des zylindrischen Behälters 1 ebenfalls auf Basis der Viskosität der in dem zylindrischen Behälter 1 enthaltenen Polymerlösung 2 bestimmt wird, die erforderliche Zentrifugalkraft entsprechend der Viskosität der Polymerlösung 2 erzeugt werden, ohne dass die Drehgeschwindigkeit erheblich geändert wird.
(Ausführungsform 2)
Im Folgenden wird Ausführungsform 2 hinsichtlich eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsform werden die gleichen Komponenten, wie sie in der vorhergehenden Ausführungsform auftreten, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung dieser Komponenten wird weggelassen, wobei nur Unterschiede beschrieben werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde ein Beispiel dargestellt, bei dem die Mittenwelle 9 an den Lagerungselementen 8 befestigt war und der zylindrische Behälter 1 mit den Lagern 10 um diese Mittenwelle 9 herum drehbar gelagert war. Bei der vorliegenden Ausführungsform hingegen ist der zylindrische Behälter 1 an der Mittenwelle 9 befestigt, und beide Enden der Mittenwelle 9 sind mit den Lagerungselementen 8 drehbar gelagert, wobei die Lager 10 dazwischen angeordnet sind, wie dies in 8 dargestellt ist. Dementsprechend ist die Drehantriebseinrichtung 15 so aufgebaut, dass die Ausgangswelle des Antriebsmotors 11 mit einem Ende der Mittenwelle 9 verbunden ist, wobei ein Reduktionsgetriebe 26 dazwischen angeordnet ist, und das Reduktionsgetriebe 26 mit einer Befestigungshalterung 27 an dem Lagerungselement 8 angebracht ist. Der Antriebsmotor 11 ist an der Befestigungshalterung 27 mit einer Befestigungshalterung 28 angebracht. Des Weiteren ist die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 mit der stationären Seite der Lager 10 verbunden, die an dem Lagerungselement 8 vorhanden sind. Die sich drehende Seite der Lager 10 und der zylindrische Behälter 1 sind über ein leitendes Element 29 miteinander verbunden, so dass die Mittenwelle 9 elektrisch isoliert wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können, da nur der Drehantriebsmechanismus für den zylindrischen Behälter 1 verschieden ist und der Grundaufbau der gleiche bleibt wie bei der ersten Ausführungsform, ähnliche Funktionen und Wirkungen erreicht werden. Es sollte bemerkt werden, dass, da sich bei der vorliegenden Ausführungsform die Mittenwelle 9 dreht, ein Drehgelenk (in der Figur nicht dargestellt) zwischen der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 und der Mittenwelle 9 angeordnet ist.
(Ausführungsform 3)
Im Folgenden wird Ausführungsform 3 bezüglich eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde Beispiele dargestellt, bei denen eine Hochspannung in Bezug auf das Erdpotential, die durch die Hochspannungs-Erzeugungs einrichtung 3 erzeugt wurde, an den zylindrischen Behälter 1 angelegt wurde, während die Sammeleinrichtung 16 auf dem Erdpotential gehalten wurde. Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch wird eine Hochspannung, die entweder positiv oder negativ ist und durch die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung 3 erzeugt wird, an die Sammeleinrichtung 16 angelegt, und der zylindrische Behälter 1 wird über das leitende Element 29 und die Lager 10 geerdet.
Auch bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Polymerfäden 5 aus dem zylindrischen Behälter 1 ausgestoßen, der relativ zu der Sammeleinrichtung 16 auf einer entweder positiven oder negativen Hochspannung gehalten wird. So wird eine Polymerlösung, die diese Polymerfäden 5 erzeugt, durch ein elektrisches Feld elektrisch geladen, das zwischen dem zylindrischen Behälter 1 und der Sammeleinrichtung 16 erzeugt wird, und durchläuft eine elektrostatische Explosion. Dadurch werden auf die gleiche Weise wie oben beschrieben, Nanofasern effizient erzeugt und bewegen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zwischen dem zylindrischen Behälter 1 und der Sammeleinrichtung 16 auf die Sammeleinrichtung 16 zu und werden als Polymervlies auf der Sammeleinrichtung 16 abgelagert. Da bei der vorliegenden Ausführungsform nur die Sammeleinrichtung 16 auf einer hohen Spannung relativ zu dem Erdpotential gehalten wird, während der zylindrische Behälter 1, mit dem die Drehantriebseinrichtung 15 und die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 verbunden sind, auf dem Erdpotential ist, kann elektrische Isolierung einfach gewährleistet werden, und die Sicherheit kann vorteilhafterweise mit einer einfachen Konstruktion garantiert werden.
(Ausführungsform 4)
Im Folgenden wird Ausführungsform 4 bezüglich eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 10 bis 12 beschrieben.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden Beispiele beschrieben, bei denen eine vorgeschriebene Menge an Polymerlösung 2 dem zylindrischen Behälter 1 auf Basis einer geplanten Erzeugung des Polymervlies zugeführt wurde. Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch wird eine in dem zylindrischen Behälter 1 enthaltene Menge an Polymerlösung 2 erfasst, und die Funktion der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 wird auf Basis der erfassten Menge gesteuert, so dass eine nahezu konstante Menge an Polymerlösung 2 in dem sich drehenden Behälter 1 aufrechterhalten wird.
Die Grundkonstruktion der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 10 dargestellt, die gleiche wie die ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der Tatsache, dass ein Vorsprung 30, der sich auf den Innenumfang des zylindrischen Behälters 1 zu nach unten erstreckt, an der stationären Mittenwelle 9 vorhanden ist, so dass, wenn die Polymerlösung 2, die in dem zylindrischen Behälter 1 enthalten ist, eine vorgegebene Menge erreicht, die Flüssigkeitsoberfläche der Polymerlösung 2 mit diesem Vorsprung 30 in Kontakt kommt. Wenn die Polymerlösung 2 mit dem Vorsprung 30 in Kontakt kommt, wird der Drehwiderstand des zylindrischen Behälters 1 groß, und ein Motorstrom, der durch den Antriebsmotor 11 fließt, der so gesteuert wird, dass sich der zylindrische Behälter 1 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit dreht, nimmt zu. Dementsprechend kann, indem dieser Motorstrom erfasst wird, erfasst werden, dass die Polymerlösung 2 die vorgegebene Menge erreicht hat.
Daher ist die Motorstrom-Erfassungseinrichtung 31, die den Motorstrom des Antriebsmotors 11 der Drehantriebseinrichtung 15 erfasst, vorhanden. Das erfasste Signal wird dann zu einer Steuereinheit 32 gesendet, und diese Steuereinheit 32 steuert die Funktionen der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20. In 11 steuert die Steuereinheit 32 die Funktion der Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung, der Drehantriebseinrichtung 15 und der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 auf Basis von Steuerprogrammen, die im Voraus in einer Speichereinheit 33 gespeichert werden, verschiedener Steuerdaten, die über eine Bedieneinheit 34 eingegeben werden, Eingangssignalen verschiedener Sensoren (in der Figur nicht gezeigt), die für die jeweiligen Einrichtungen vorhanden sind, und Betätigungsbefehlen durch die Betätigungseinrichtung 34. Zustände dieser Funktionen werden auf einer Anzeigeeinheit 35 angezeigt.
Bei einer Konstruktion, wie sie oben beschrieben ist, ergibt sich, dass, wenn die Polymerlösung 2 dem zylindrischen Behälter 1 durch die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 kontinuierlich zugeführt wird, dass das Volumen der Polymerlösung 2 zunimmt und gleichzeitig der Motorstrom allmählich zunimmt, wie dies in 12 gezeigt ist. Nach dem Durchlaufen des Zustandes an T1 und, wenn der Pegel der Polymerlösung 2 beginnt, in Kontakt mit dem Vorsprung 30 zu kommen, nimmt der Motorstrom plötzlich zu. Wenn der Pegel der Polymerlösung 2 an T2 L1 erreicht und der Vorsprung 30 in permanentem Kontakt mit der Polymerlösung 2 ist, erreicht der Motorstrom C1. Dadurch wird die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 abgeschaltet, so dass die Zufuhr der Polymerlösung 2 unterbrochen wird. Anschließend verringert sich das Volumen der Polymerlösung 2 in dem zylindrischen Behälter 1 allmählich, während das Polymervlies hergestellt wird, und wenn der Pegel der Po lymerlösung 2 an T3 auf L2 abfällt und der Vorsprung 30 von der Polymerlösung 2 getrennt ist, fällt der Motorstrom auf C2 ab. Dann wird ein Vorgang der Zufuhr der Polymerlösung 2 durch die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung 20 ausgeführt. Anschließend wird, indem die bei T2 und T3 durchgeführten jeweiligen Vorgänge wiederholt werden, die Menge der Polymerlösung 2 in dem zylindrischen Behälter 1 stets auf einem nahezu konstanten Pegel gehalten.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, da die Polymerlösung 2 in dem zylindrischen Behälter 1 so gesteuert werden kann, dass sie in einer vorgeschriebenen Menge vorhanden ist, indem eine einfache und kostengünstige Struktur vorgesehen wird, d. h. der Vorsprung 30, eine konstante Zentrifugalkraft erzeugt werden, die auf die Polymerlösung 2 in dem zylindrischen Behälter 1 wirkt. So wird die Zentrifugalkraft, die auf die Polymerlösung 2 wirkt, die über die kleinen Löcher 4 des zylindrischen Behälters 1 ausgestoßen wird, konstant, und die Polymerlösung 2 kann gleichmäßig als eine Anzahl von Fäden ausgestoßen werden, wodurch Nanofasern und Polymervliese gleichmäßig hergestellt werden.
(Ausführungsform 5)
Im Folgenden wird Ausführungsform 5 bezüglich eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlies der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 13 und 14 beschrieben.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden Beispiele beschrieben, bei denen Nanofasern auf der Sammeleinrichtung 16 abgelagert wurden. Polymervliese, die auf der Sammeleinrichtung 16 ausgebildet wurden, wurden gesammelt, oder ein Element, das dazu diente, Polymervliese aufzunehmen, wurde an der Sammeleinrichtung 16 so angeordnet, dass die Polymervliese darauf ausgebildet und entsprechend gesammelt wurden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch eine Bahnelement-Bewegungseinrichtung 37 vorhanden, die ein Bahnelement 36, auf dem Nanofasern abgelagert werden sollen, mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit auf der Sammeleinrichtung 16 und an ihr entlang bewegt, wie dies in 13 dargestellt ist. Bei dieser Konstruktion kann ein Bahnelement, auf dem das Polymervlies einer gewünschten Dicke ausgebildet ist, fortlaufend hergestellt werden.
Des Weiteren sind in einem weiteren Beispiel der vorliegenden Ausführungsform eine Vielzahl (in der Figur vier) von Sammeleinrichtungen 16 und Bahnelement-Bewegungseinrichtungen 27 in gleichen Abständen so angeordnet, dass sie den gesamten zylindrischen Be hälter 1 umgeben, wie dies in 14 gezeigt ist. Nanofasern, die über den gesamten Umfang des zylindrischen Behälters 1 ausgestoßen und ausgebildet werden, werden auf die jeweiligen Sammeleinrichtungen 16 zu geleitet, und die Polymervliese werden fortlaufend auf dem Bahnelement 36 ausgebildet, das durch die Bahnelement-Bewegungseinrichtung 37 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt wird. Bei dieser Konstruktion kann eine Vielzahl von Polymervliesen aus den Nanofasern hergestellt werden, die über den gesamten Umfang des zylindrischen Behälters 1 herum ausgestoßen und ausgebildet werden.
(Ausführungsform 6)
Im Folgenden wird Ausführungsform 6 bezüglich eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Herstellen des Polymervlieses der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 15 beschrieben.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden Beispiele beschrieben, bei denen Nanofasern nur auf einer einzelnen Sammeleinrichtung 16 gesammelt und abgelagert wurden, die an einer Seite des zylindrischen Behälters 1 angeordnet ist, wie dies in 13 dargestellt ist, oder eine Vielzahl von Sammeleinrichtungen 16 ist um den zylindrischen Behälter 1 herum so angeordnet, dass Nanofasern an dem gesamten Umfang desselben gesammelt und abgelagert wurden, wie dies in 14 dargestellt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch ist eine einzelne Sammeleinrichtung 16 an einer Seite des zylindrischen Behälters 1 angeordnet, und eine reflektierende Elektrode 38, die auf die gleiche Polarität wie der zylindrische Behälter 1 geladen ist, ist in einem Bereich, der den zylindrischen Behälter 1 umgibt, mit Ausnahme des Bereiches vorhanden, in dem die Sammeleinrichtung 16 angeordnet ist. Vorzugsweise besteht die reflektierende Elektrode 38 aus einer Netzelektrode, so dass sich verdampftes Lösungsmittel ungehindert ausbreitet. Ihre Form ist so ausgeführt, dass die Richtung der Reflektion unabhängig davon, wo die Reflektion stattfindet, stets zu der Sammeleinrichtung 16 hin gerichtet ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden Nanofasern, die über den gesamten Umfang des zylindrischen Behälters 1 ausgestoßen und ausgebildet werden, reflektiert, da sie durch die elektrische Ladung mit der gleichen Polarität abgestoßen werden, die an der reflektierenden Elektrode 38 vorhanden ist, und so werden sie sicher auf die Sammeleinrichtung 16 zu geleitet und auf dem Bahnelement 36 abgelagert, das sich auf der Sammeleinrichtung 16 und an ihr entlang bewegt. Daher kann ein Polymervlies effizient innerhalb eines kurzen Zeitraums nach dem Ausstoßen und Ausbilden der Nanofasern um den gesamten Umfang des zylindrischen Behälters 1 herum erzeugt werden.
Obwohl bei jeder der obenstehenden Ausführungsformen der zylindrische Behälter 1 als ein sich drehender Behälter beschrieben wurde, der so angetrieben wird, dass er sich um seine Achse herum dreht, ist der zylindrische Behälter 1 nicht auf einen derartigen sich drehenden Behälter beschränkt. Solange ein Behälter in der Lage ist, eine Polymerlösung 2 aufzunehmen, sich zu drehen und die Polymerlösung 2 aufgrund der Zentrifugalkraft über kleine Löcher 4 auszustoßen, um Polymerfäden 5 auszubilden, kann er in jeder beliebigen Form ausgebildet sein.
Industrielle Einsetzbarkeit
Gemäß einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern und eines Polymervlieses der vorliegenden Erfindung können Nanofasern mit einem Durchmesser im Submikron-Bereich effizient aus einer Polymerlösung hergestellt werden, die als Fäden über eine Vielzahl kleiner Löcher ausgestoßen wird, die an einem sich drehenden Behälter vorhanden sind, und indem diese abgelagert werden, kann ein Polymervlies hergestellt werden. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung vorzugsweise bei der Herstellung hochporöser Vliese eingesetzt werden, die vorzugsweise als ein Filter, als ein Separator zum Einsatz in einer Batterie, als eine Polyelektrolyt-Membran oder eine Elektrode zum Einsatz in einer Brennstoffzelle oder dergleichen verwendet werden.
Zusammenfassung
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern und Polymerbahnen
Eine Polymerlösung (2), die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst wird, wird einem zylindrischen Behälter (1) zugeführt, der als ein sich drehender Behälter mit einer Vielzahl kleiner Löcher (4) dient. Der zylindrische Behälter (1) wird durch eine Drehantriebseinrichtung (15) so angetrieben, dass er sich dreht, und ein elektrisches Feld wird durch eine Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung (3) an Polymerfäden (5) angelegt, die über die kleinen Löcher (4) ausgestoßen werden, so dass sie elektrisch geladen werden. Dann finden eine primäre und eine sekundäre elektrostatische Explosion (6, 7) statt, die mit der Zentrifugalkraft und der Verdampfung des Lösungsmittels zusammenhängen, und ziehen die Polymerfäden und erzeugen Nanofasern, die aus der Polymersubstanz bestehen. Diese Nanofasern werden abgelagert, um ein Polymervlies herzustellen. Dementsprechend können unter Einsatz einer einfachen Struktur Nanofasern und ein Polymervlies, für das diese verwendet werden, gleichmäßig mit ausgezeichneter Produktivität hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2002-201559 [0004, 0005]
- JP 58-114106 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen von Nanofasern, das umfasst: Zuführen einer Polymerlösung (2), die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst wird, zu einem sich drehenden Behälter (1) mit einer Vielzahl kleiner Löcher (4), wobei wenigstens ein Abschnitt des sich drehenden Behälters in der Nähe der kleinen Löcher Leitfähigkeit aufweist; Drehen des sich drehenden Behälters (1); und Anlegen eines elektrischen Feldes an Fäden aus der Polymerlösung (5), die über die kleinen Löcher (4) ausgestoßen werden, und Zulassen, dass diese durch eine Zentrifugalkraft und eine elektrostatische Explosion (6, 7) gezogen werden, die mit einer Verdampfung des Lösungsmittels einhergeht, um Nanofasern herzustellen, die aus der Polymersubstanz bestehen.
Verfahren zum Herstellen von Nanofasern nach Anspruch 1, wobei der sich drehende Behälter (1) ein zylindrischer Behälter (1) ist, der mit der Vielzahl kleiner Löcher (4) an seiner Umfangsfläche versehen ist und sich um seine Achse herum dreht.
Verfahren zum Herstellen von Nanofasern nach Anspruch 1, das einschließt, dass eine Menge der Polymerlösung (2), die in dem sich drehenden Behälter (1) enthalten ist, so gesteuert wird, dass sie nahezu konstant ist.
Verfahren zum Herstellen eines Polymervlieses, das den Schritt des Ablagerns der mit dem Verfahren zum Herstellen von Nanofasern nach Anspruch 1 hergestellten Nanofasern umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Polymervlieses nach Anspruch 4, das die folgenden Schritte umfasst: Anordnen einer leitenden Sammeleinrichtung (16) mit einem bestimmten Abstand in Bezug auf den sich drehenden Behälter (1); Anlegen einer Hochspannung zwischen dem sich drehenden Behälter (1) und der Sammeleinrichtung (16); und Ablagern von Nanofasern auf der Sammeleinrichtung (16).
Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern oder eines Polymervlieses, die umfasst: einen sich drehenden Behälter (1), der drehbar gelagert ist und mit einer Vielzahl kleiner Löcher (4) versehen ist, die in einem bestimmten Abstand in einer radialen Richtung von einer Drehachse angeordnet sind, wobei wenigstens ein Abschnitt des sich drehenden Behälters in der Nähe der kleinen Löcher Leitfähigkeit aufweist; eine Drehantriebseinrichtung (15), mit der der sich drehende Behälter (1) so angetrieben wird, dass er sich dreht; eine Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung (3) zum Anlegen einer Hochspannung an den sich drehenden Behälter (1); eine Polymerlösungs-Zuführeinrichtung (20) zum Zuführen einer Polymerlösung (2), die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst wird, zu dem sich drehenden Behälter (1); und eine Steuereinheit (32) zum Steuern der Drehantriebseinrichtung (15), der Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung (3) und der Polymerlösungs-Zuführeinrichtung (20), wobei, wenn der sich drehende Behälter (1) durch die Steuereinheit (32) mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gedreht wird, die Polymerlösung (2) dem sich drehenden Behälter (1) zugeführt wird und eine Hochspannung an den sich drehenden Behälter (1) angelegt wird.
Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern, die umfasst: einen sich drehenden Behälter (1), der drehbar gelagert ist und mit einer Vielzahl kleiner Löcher (4) versehen ist, die in einem bestimmten Abstand in einer radialen Richtung von der Drehachse angeordnet sind, wobei wenigstens ein Abschnitt des sich drehenden Behälters in der Nähe der kleinen Löcher Leitfähigkeit aufweist; eine Drehantriebseinrichtung (15), mit der der sich drehende Behälter (1) so angerieben wird, dass er sich dreht; eine leitende Sammeleinrichtung (16), die mit einem bestimmten Abstand zu dem sich drehenden Behälter (1) angeordnet ist; eine Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung (3) zum Anlegen einer Hochspannung zwischen dem sich drehenden Behälter (1) und der Sammeleinrichtung (16); eine Polymerlösungs-Zuführeinrichtung (20) zum Zuführen einer Polymerlösung (2), die angefertigt wird, indem eine Polymersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst wird zu dem sich drehenden Behälter (1); und eine Steuereinheit (32), die die Drehantriebseinrichtung (15), die Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung (3) und die Polymerlösungs-Zuführeinrichtung (20) steuert, wobei, wenn der sich drehende Behälter (1) durch die Steuereinheit (32) mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, die Polymerlösung (2) dem sich drehenden Behälter (1) zugeführt wird und eine Hochspannung zwischen dem sich drehenden Behälter (1) und der Sammeleinrichtung (16) angelegt wird.
Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern nach Anspruch 6 oder 7, wobei der sich drehende Behälter (1) aus einem zylindrischen Behälter (1) besteht, der die Vielzahl kleiner Löcher (4) an seiner Umfangsfläche aufweist, und eine Steuereinrichtung vorhanden ist, mit der eine in dem zylindrischen Behälter (1) enthaltene Menge der Polymerlösung (2) konstant gehalten wird.
Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses, wobei ein Polymervlies hergestellt wird, indem die mit der Vorrichtung zum Herstellen von Nanofasern nach Anspruch 7 hergestellten Nanofasern auf einer sich in zwei Dimensionen erstreckende Sammeleinrichtung (16) abgelagert werden.
Vorrichtung zum Herstellen eines Polymervlieses nach Anspruch 9, die eine Bahnelement-Bewegungseinrichtung (37) umfasst, mit der ein Bahnelement (36), auf dem die Nanofasern abgelagert werden, mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit auf der Sammeleinrichtung (16) und an ihr entlang bewegt wird.